Алгоритм определения оптимального числа волокон используемых при внутритканевой фотодинамической терапии рака молочной железы на основании диффузионного уравнения

При планировании внутритканевой фотодинамической терапии (iPDT ) с использованием цилиндрических диффузных волокон важно обеспечить однородное распределение света по всему объему опухоли, сохранив при этом целостность окружающей ткани. Авторы данной статьи смоделировали распределение света с помощью двух алгоритмов, основанных на уравнении диффузии, в которых в качестве источников света используются цилиндрические диффузоры. Первый алгоритм анализирует уравнение диффузии и изучает влияние различных переменных (оптических свойств источника, применяемой мощности, длины диффузора и его положения). Затем были использованы параметры оптических свойств молочной железы для оценки объема, который рассчитывает световую дозу от одного диффузора. Во втором алгоритме было смоделировано несколько рассеивателей для нахожде ния соотношения между объемом и количеством рассеивателей, необходимых для покрытия кубического или цилиндрического объема достаточной световой дозой. На протяжении всего этого исследования рассматривались реальные значения оптических свойств, клинической мощности лазера и времени лечения для оценки достаточных световых доз. Это исследование согласуется с предыдущими работами в том, что оптические свойства являются основными факторами, влияющими на распределение света при iPDT. Показано, что, для однородного фантома, имитирующего рак молочной железы, кубической или цилиндрической формы, количество требуемых волокон N равно W×L или D² , соответственно.

внутритканевая фотодинамическая терапия, уравнение диффузии, волокно с цилиндрическим диффузором, достаточная световая доза, рак молочной железы

1. Dougherty T.J., Gomer C.J., Henderson B.W., Jori G., Kessel D., K belik M., Moan J., Peng Q. Photodynamic therapy // J Natl Cancer Inst. – 1998. – Vol. 90(12). – P. 889–905.

2. Wilson B.C., Patterson M.S., Lilge L. Implicit and explicit dosimetry in photodynamic therapy: a New paradigm // Lasers Med Sci. 1997. – Vol. 12(3). – P. 182–99.

3. Haskell R.C., Svaasand L.O., Tsay T.T. et al., Boundary condi tions for the diffusion equation in radiative transfer // Journal of the Optical Society of America A. – 1994. – Vol. 11(10). – P. 2727–2741.

4. Shafirstein G., Bellnier D., Oakley E., et al. Interstitial Photodynamic Therapy—A Focused Review // Cancers. – 2017. – Vol. 9(2). – E12. doi:10.3390/cancers9020012.

5. Baran T.M., Foster T.H. Comparison of flat cleaved and c cal diffusing fibers as treatment sources for interstitial photo dynamic therapy // Med. Phys. – 2014. – Vol. 41(2). – 022701. doi:10.1118/1.4862078.

6. Farina B., Saponaro S., Pignoli E., Tomatis S., Marchesini R. Monte Carlo simulation of light fluence in tissue in a cylindrical diffusing fiber geometry // Phys Med Biol. – 1999. – Vol. 44(1). – P. 1–11.

7. Baran T.M., Foster T.H. New Monte Carlo model of cylindrical d fusing fibers illustrates axially heterogeneous fluorescence detection: simulation and experimental validation // J Biomed Opt. 2011. – Vol. 16(8). – 085003. doi: 10.1117/1.3613920.

8. Altschuler M.D., Zhu T.C., Li J., Hahn S.M. Optimized interstitial PDT prostate treatment planning with the Cimmino feasibility algo rithm // Med. Phys. – 2005. – Vol. 32. – P. 3524–3536.

9. Oakley E., Bellnier D.A., Hutson A., et al. Surface Markers for G ing Cylindrical Diffuser Fiber Insertion in Interstitial Photodynamic Therapy of Head and Neck Cancer // Lasers Surg Med. – 2017. Vol. 49(6). – P. 599–608.

10. Cylindrical light diffuser Model RD. Available at: http://www.medlight.com/pdf/Doc_RD_0801E.pdf. (accessed 28.11.2019)

11. Sandell J.L., Zhu T.C. A review of in-vivo optical properties of human tissues and its impact on PDT //Journal of Biophotonics. 2011. – Vol. 4(11–12). – P. 773–87.

12. Dimofte A., Finlay J.C., Liang X., Zhu T.C. Determination of optical properties in heterogeneous turbid media using a cylindrical diffusing fiber //Physics in Medicine and Biology. – 2012. – Vol. 57(19). – P. 6025–46.

13. Dimofte A., Finlay J.C., Zhu T.C. A method for determination of the absorption and scattering properties interstitially in turbid media // Physics in Medicine and Biology. – 2005. – Vol. 50(10). – P. 2291–311.

14. Jacques S.L., Pogue B.W. Tutorial on diffuse light transport // J nal of Biomedical Optics. – 2008. – Vol. 13(4). – P. 041302.

15. Liang X., Wang K.K., Zhu T.C. Feasibility of interstitial diffuse o cal tomography using cylindrical diffusing fibers for prostate PDT // Physics in Medicine and Biology. – 2013. – Vol. 58(10). – P. 3461–80.

16. Patterson M.S., Madsen S.J., Wilson B.C. Experimental tests of the feasibility of singlet oxygen luminescence monitoring in vivo during photodynamic therapy // J Photochem Photobiol B. – 1990. Vol. 5(1). – P. 69–84.

17. Filonenko E.V., Saribekyan E.K., Ivanova-Radkevich V.I. C ties of Intraoperative Photodynamic Therapy For Treatment Of Locally Advanced Breast Cancer // Biomedical Photonics. – 2016. Vol. 5, No. 1. – P. 9–14. doi: 10.24931/2413–9432–2016–5–1–9–14.

18. Nakai T., Nishimura G., Yamamoto K., Tamura M. Expression of optical diffusion coefficient in high-absorption turbid media // Phys. Med. Biol. – 1997. – Vol. 42. – P. 2541–2549.

19. Jacques S.L. Optical properties of biological tissues: a review // Phys. Med. Biol. – Vol. 58(11). – P. 37–61.

20. Rendon A., Beck J.C., Lilge L. Treatment planning using tailored and standard cylindrical light diffusers for Photodynamic therapy of the prostate // Phys Med Biol. – 2008. – Vol. 53(4). – P. 1131–1149.